富集聚磷菌的厌氧/好氧SNDPR系统处理低CN比生活污水的工艺

摘要

富集聚磷菌的厌氧/好氧SNDPR系统处理低CN比生活污水的工艺属于污水生物处理领域。生活污水进入同步硝化反硝化除磷SBR反应器后，先进行延时缺氧/厌氧搅拌，反硝化细菌利用污水中有机碳源将上周期残留的NO3--N及NO2--N进行反硝化脱氮，聚磷菌则利用污水中的有机碳源厌氧释磷，并在细胞内合成储存物质。由于是延时厌氧，PAOs释磷结束后，系统中的脱氮菌群仍可对污水中的有机物进行充分利用并将其储存为内碳源。此后进行好氧曝气搅拌，通过控制溶解氧浓度，在保证聚磷菌吸磷的同时，可实现脱氮菌群的内源同步硝化反硝化脱氮。该方法在一个反应器内实现低碳氮比污水的深度脱氮除磷，工艺简单，不需投加外碳源，并节省了氧耗、能耗。

说明书

技术领域

本发明涉及污水处理领域，尤其涉及富集聚磷菌的厌氧/好氧SNDPR系统处理低CN比生活污水的工艺与方法 

背景技术

随着人类生活水平的提高、人口的急剧增长，以及工业的迅猛发展，污水的排放量日趋增多，水环境污染日益严重，污水的脱氮除磷成为国内外专家学者研究的热点。同时随着土地和能源问题的日益突出，对低能耗高效率污水处理技术的需求变的越来越紧迫。同步硝化反硝化(SDN)工艺在很大程度上降低氧耗、能耗，因此SDN工艺正逐渐受到关注。SDN是指在空间上没有明显缺氧和好氧分区或在时间上没有缺氧/好氧交替的条件下，硝化和反硝化反应在空间和时间上同步进行的生物脱氮过程。与传统的生物脱氮相比，SDN能缩短脱氮历程，节省碳源，降低动力消耗，提高处理能力，简化系统的设计和操作等优点。 

传统活性污泥法处理生活污水中聚磷菌数量所占比例较小，聚磷菌与硝化细菌在碳源上相互竞争，在污泥龄上存在冲突。因此，本发明通过将富集聚磷菌强化除磷系统与同步硝化反硝化系统耦合，实现了低CN比生活污水的深度脱氮除磷。在厌氧段，通过延时厌氧搅拌，在反硝化脱氮以及聚磷菌充分释磷后，反应器内的菌群依然能充分利用外碳源并将其转化为内碳储存物质(PHB)；在好氧段，通过将反应器内的DO浓度控制在0.5mg/L～1mg/L之间，实现了聚磷菌好氧吸磷和脱氮菌同步硝化反硝化脱氮的同时进行。本发明工艺流程简单，可实现低CN比生活污水的深度脱氮除磷，是具有前景的废水处理研究方向，也是一种新的脱氮除磷思路。 

发明内容

本发明的目的就是提供一种富集聚磷菌的厌氧/好氧SNDPR系统处理低CN比生活污水的工艺和方法，实现低碳氮比生活污水的深度脱氮除磷，解决传统脱氮除磷工艺中 存在碳源不足、除磷效果不好、脱氮和除磷不能同时在同一条件下实现良好共存等问题，工艺流程简单，节省了曝气量，并降低了运行费用。此外，结合在线监测反应器中pH值和DO的变化情况，对反硝化，同步硝化反硝化以及除磷过程进行实时控制，可有效的维持系统运行稳定性。该发明结合了同步硝化反硝化和富集聚磷菌的强化生物除磷系统两者所具有的优点，可实现高效、低能耗的低CN比城市污水处理，出水可稳定达到一级A排放标准。 

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：富集聚磷菌的厌氧/好氧SNDPR系统处理低C/N生活污水所用到的装置包括：生活污水进水水箱(1)、同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)、出水水箱(3)、排泥池(4)、PLC在线监测和反馈系统(5)、PH和DO测定仪(6)、ORP测定仪(7)；其中所述生活污水进水水箱(1)通过进水泵(1.3)同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)的进水口相链接；排泥池(4)通过排泥泵(4.1)同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)上排泥口(2.6)相连；出水水箱(3)通过排水阀(2.7)与同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)相连； 

同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)内还设有鼓风曝气装置，由鼓风机(2.1)、转子流量计(2.3)，曝气头(2.5)组成；搅拌装置(2.9)；加热棒(2.4)；PH和温度传感器(7.1)；DO传感器(7.2)；ORP传感器(6.1)；其中PH和温度传感器(7.1)与DO传感器(7.1)与PH与DO测定仪(7)相连接，ORP传感器(6.1)与OPR测定仪连接，并实时监测反应的进程； 

所述在线监测和反馈控制系统(5)包括计算机(5.1)和可编程过程控制器(5.2)，可编程过程控制器(5.2)内置信号转换器AD转换接口(5.3)、信号转换器DA转换接口(5.4)、进水继电器(5.5)、曝气继电器(5.6)、温度数据信号接口(5.7)、搅拌器继电器(5.8)、ORP数据信号接口(5.9)pH和DO数据信号接口(5.10)、出水继电器(5.11)、排泥继电器(5.12)；其中，可编程过程控制器(5.2)上的信号转换器AD转换接口(5.3)通过电缆线与计算机(5.1)相连接，将传感器模拟信号转换成数字信号传递给计算机(5.1)；计算机(5.1)通过信号转换器DA转换接口(5.4)与可编程过程控制器(5.2)相连接，将计算机(5.1)的数字指令传递给可编程过程控制器(5.2)进水继电器(5.5)与进水泵(1.3)相连接；曝气继电器(5.6)与电磁阀(2.2)相连接；温度数据信号接口(5.7)通过传感器导线与加热棒(2.4)相连接；搅拌器继电器(5.8)与搅拌器(2.9)相连接，ORP 数据信号接口(5.9)pH和DO数据信号接口(5.10)通过传感器导线与OPR测定仪(6)pH和DO测定仪(7)相连接；pH和温度传感器(7.1)、DO传感器(7.2)OPR传感器(6.1)分别通过传感器导线与pH和DO测定仪(7)，ORP测定仪(6)相连接；出水继电器(5.10)与排水阀(2.7)相连接； 

污水在此装置中的处理流程为：生活污水通过生活污水进水水箱进入富集聚磷菌的厌氧/好氧SNDPR系统主反应器，先延时缺氧/厌氧搅拌，反硝化细菌利用污水中的有机碳源将上周期剩余的NO₃^--N以及NO₂^--N经反硝化作用转化为N2并释放到空气中；PAOs则利用生活污水中的挥发性脂肪酸VFA进行厌氧释磷，并合成内碳源PHA储存于体内；由于厌氧时间充足，为好氧段的同步硝化反硝化脱氮提供了足够的内碳源。此后，进行好氧曝气搅拌，脱氮菌群利用内碳源将污水中的氨氮通过同步硝化反硝化将其转化为N2并释放到空气中，实现了污水中氮的去除，聚磷菌则利用厌氧阶段合成的PHA进行好氧吸磷，实现了污水中的磷的去除；待好氧段结束后，沉淀排水，出水排入出水水箱。 

本发明还提供了一种富集聚磷菌的厌氧/好氧SNDPR系统处理低C/N生活污水的方法，其具体的启动和操作步骤如下： 

1)系统启动：普将城市污水厂剩余污泥或具有脱氮除磷性能的活性污泥投加到SBR主反应器(2)使接种后反应器内的活性污泥浓度达到3000～5000mg/L； 

2)第一阶段采用厌氧/好氧的方式，目的在于富集、培养同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)内的聚磷菌；将生活污水加入生活污水进水水箱(1)，启动进水泵(1.3)将生活污水抽入同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)，厌氧搅拌60～240min，再曝气搅拌90～180min，并通过在线监测和反馈控制系统(5)控制反硝化除磷SBR反应器(2)内DO浓度为1.5～2.0mg/L，当曝气搅拌时P＜0.5mg/L时停止曝气搅拌，沉淀排水，排水比为40％～60％。在此阶段内需向生活污水进水水箱(1)内投加乙酸钠，将污水COD浓度提高至300～400mg/L；此外,同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)运行时需排泥，使同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)内污泥浓度维持在3000～5000mg/L范围内； 

当同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)内聚磷菌富集程度达到40％以上时，进入第二阶段。第二阶段采用延时厌氧/低氧的方式运行，目的在于强化同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)中的同步硝化反硝化现象；将生活污水加入生活污水进水水箱(1)，启动进水泵(1.3)将生活污水抽入同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)，延时厌氧搅拌90～240min, 低氧曝气搅拌60～240min，并通过在线监测和反馈控制系统(5)控制同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)内DO浓度为0.5～1.0mg/L，当pH值曲线出现拐点时停止低氧曝气搅拌，沉淀排水，排水比为40％～60％；该时间段内，同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)运行时需排泥，使同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)内污泥浓度维持在3000～5000mg/L范围内； 

当同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)出水P＜0.5mg/L，NO₃^--N＜10mg/L，NH₄⁺-N＜10mg/L时，进入第三阶段，即长期稳定运行阶段。将生活污水加入生活市污水进水水箱(1)，启动进水泵(1.3)将生活污水抽入同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)，延时厌氧搅拌90～240min,低氧曝气搅拌60～240min,并通过在线监测和反馈控制系统(5)控制同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)内DO浓度为0.5～1.0mg/L，当pH值曲线出现拐点时停止低氧曝气搅拌，沉淀排水，排水比为40％～60％；同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)运行时需排泥，使同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)内污泥浓度维持在3000～5000mg/L范围内。 

本发明的富集聚磷菌的厌氧/好氧SNDPR系统处理低CN比生活污水的工艺与方法，具有以下优点： 

1)富集聚磷菌的厌氧/好氧SNDPR系统在强化生物除磷系统的基础上，进行了延时厌氧搅拌，使得厌氧段反硝化和释磷过程结束后，污水中的有机碳源仍能被微生物充分吸收、利用并转化为内碳源储存于体内。该过程为好氧段同步硝化反硝化的进行提供了碳源保障。 

2)富集聚磷菌的厌氧/好氧SNDPR系统在强化生物除磷系统的基础上，进行了低氧曝气搅拌，在PAOs好氧吸磷的同时，脱氮菌可进行同步硝化反硝化脱氮。在实现系统稳定除磷的同时，实现了氮的高效去除。 

3)厌氧/好氧SNDPR系统与传统脱氮除磷工艺相比，结合了同步硝化反硝化与强化生物除磷系统两者所具有的优点。一方面，缩短了脱氮历程，节省碳源，降低曝气量和动力消耗；另一方面，SNDPR系统内PAOs富集程度较高，实现了污水的深度除磷。 

4)厌氧/好氧SNDPR系统在一个SBR内中实现了氮磷的高效稳定去除，具有可控制性强、工艺流程简单等优点，同时结合在线监测和实时控制技术，使其脱氮除磷性能得以稳定维持。 

附图说明

图1为本发明富集聚磷菌的厌氧/好氧SNDPR系统处理低CN比生活污水装置的结构示意图。 

图中1为生活污水进水水箱；2为同步硝化反硝化除磷SBR反应器；2.1为鼓风机；2.2为电磁阀；2.3为转子流量计；2.4为加热棒；2.5为曝气头；2.7为排水阀；2.8为取样口；2.9为搅拌装置；3为出水水箱；3.1为放空管；4为排泥池；4.1为排泥泵；4.2为放空管；6为ORP测定仪；6.1为ORP传感器；7为PH和DO测定仪；7.1为PH和温度传感器；7.2为DO传感器；5为PLC在线监测和反馈控制系统；5.1为计算机，5.2为可编程过程控制器，5.3为内置信号转换器AD转换接口，5.4为信号转换器DA转换接口，5.5为进水继电器，5.6为曝气继电器，5.7为温度数据信号接口，5.8为搅拌器继电器，5.9为ORP数据信号接口，5.10为pH和DO数据信号接口，5.11为出水继电器，15.12排泥继电器； 

图2为富集聚磷菌的厌氧/好氧SNDPR系统稳定运行时典型周期内NH₄⁺-N、NO₂^--N、NO₃^--N、PO₄^3--P、COD和VFA浓度变化情况。 

表1为富集聚磷菌的厌氧/好氧SNDPR系统稳定运行时典型周期内PHA、糖原(GLY)等的储存情况。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：如图1所示富集聚磷菌的厌氧/好氧SNDPR系统处理低CN比生活污水的装置包括生活污水进水水箱1、同步硝化反硝化除磷SBR反应器2、出水水箱3、排泥池4、PLC在线监测和反馈系统5、PH和DO测定仪6、ORP测定仪7；其中所述生活污水进水水箱1通过进水泵1.3与同步硝化反硝化除磷SBR反应器2的进水口相链接；排泥池4通过排泥泵4.1与同步硝化反硝化除磷SBR反应器2上排泥口2.6相连；出水水箱3通过排水阀3.1与同步硝化反硝化除磷SBR反应器2相连； 

同步硝化反硝化除磷SBR反应器2内还设有鼓风曝气装置，由鼓风机2.1、转子流量计2.3，曝气头2.5组成；搅拌装置2.9；加热棒2.4；PH和温度传感器7.1；DO传感器7.2；ORP传感器6.1；其中PH和温度传感器7.1与DO传感器7.1与PH与DO测定仪7 相连接，ORP传感器6.1与OPR测定仪连接，并实时监测反应的进程； 

所述所述在线监测和反馈控制系统5包括计算机5.1和可编程过程控制器5.2，可编程过程控制器5.2内置信号转换器AD转换接口5.3、信号转换器DA转换接口5.4、进水继电器5.5、曝气继电器5.6、温度数据信号接口5.7、搅拌器继电器5.8、ORP数据信号接口5.9pH和DO数据信号接口5.10、出水继电器5.11、排泥继电器5.12；其中，可编程过程控制器5.2上的信号转换器AD转换接口5.3通过电缆线与计算机5.1相连接，将传感器模拟信号转换成数字信号传递给计算机5.1；计算机5.1通过信号转换器DA转换接口5.4与可编程过程控制器5.2相连接，将计算机5.1的数字指令传递给可编程过程控制器5.2进水继电器5.5与进水泵1.3相连接；曝气继电器5.6与电磁阀2.2相连接；温度数据信号接口5.7通过传感器导线与加热棒2.4相连接；搅拌器继电器5.8与搅拌器2.9相连接，ORP数据信号接口5.9pH和DO数据信号接口5.10通过传感器导线与OPR测定仪6pH和DO测定仪7相连接；pH和温度传感器7.1、DO传感器7.2OPR传感器6.1分别通过传感器导线与pH和DO测定仪7，ORP测定仪6相连接；出水继电器5.10与排水阀2.7相连接； 

试验过程中，试验用水取自北京工业大学家属区生活污水，具体水质如下：COD浓度为154～248mg/L，NH₄⁺-N浓度为45～79mg/L，NO₂^--N浓度＜1mg/L，NO₃^--N浓度0.1～1.4mg/L，P浓度4.3～7.6mg/L，pH为7.3～7.6。试验系统如图1所示，各反应器均采用有机玻璃制作，富集聚磷菌的厌氧/好氧SNDPR系统主反应其有效容积为9L。 

具体运行操作如下： 

1)将城市污水厂剩余污泥投加到同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)使接种后反应器内的活性污泥浓度达到4000mg/L；将生活污水加入生活污水进水水箱(1)，并向生活污水进水水箱(1)内投加乙酸钠，将污水COD浓度提高至300～400mg/L；启动进水泵(1.3)将生活污水抽入同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)，厌氧搅拌150min，再曝气搅拌150min，并通过在线监测和反馈控制系统(5)控制反硝化除磷SBR反应器(2)内DO浓度为1.5～2.0mg/L；沉淀排水，排水比为45％；；此外,同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)运行，污泥龄为8d； 

2)同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)运行120d后，聚磷菌富集程度达到36％，进入第二运行阶段；将生活污水加入生活污水进水水箱(1)，启动进水泵(1.3)将生活污水抽入同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)，延时厌氧搅拌210min，低氧曝气搅拌 150min，并通过在线监测和反馈控制系统(5)控制同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)内DO浓度为0.5mg/L；沉淀排水，排水比为45％；该运行阶段内，同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)污泥龄为12d； 

3)同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)运行140d后，进入稳定运行阶段。将城市污水加入生活污水进水水箱(1)，启动进水泵(1.3)将生活污水抽入同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)，延时厌氧搅拌180min，低氧曝气搅拌150min，并通过在线监测和反馈控制系统(5)控制同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)内DO浓度为0.5～1.0mg/L，沉淀排水，排水比为45％；同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)运行时需排泥，污泥龄为10d。 

试验结果表明：同步硝化反硝化除磷SBR反应器(2)运行稳定后，SNDPR系统出水COD浓度为27～55mg/L，NH₄⁺-N浓度为＜2mg/L，NO₂^--N为＜1mg/L，NO₃^--N＜10mg/L，P＜0.5mg/L，TN低于13mg/L，达到一级A排放标准。SNDPR系统稳定运行时典型周期内NH₄⁺-N、NO₂^--N、NO₃^--N、PO₄^3--P、COD和VFA浓度变化情况见下图2，PHA、糖原(GLY)等的储存情况见下表1。 

图2显示，SNDPR系统进水COD浓度为293.8mg/L，厌氧末期PO₄^3--P浓度达28.3mg/L，且无NO₂^--N和NO₃^--N剩余；出水NO₃^--N浓度为9.6mg/L，出水无NH₄⁺-N和NO₂^--N。此外，在厌氧段，聚磷菌仅需70min就完成了释磷及COD和VFA的降解；在好氧段，吸磷可在30min完成，之后的90min主要发生NH₄⁺-N的同步硝化反硝化作用。 

表1表明，SNDPR系统厌氧段PHA合成量和GLY消耗量分别为11.2和7.3mMC/L，好氧段PHA消耗量和GLY合成量分别为9.6和14.9mMC/L。此外，结合图2发现，厌氧段释磷结束后仍有部分COD被利用，好氧段吸磷结束后仍存在PHA的降解；说明好氧段同步硝化反硝化作用利用的是内碳源PHA(主要是PHB)；延时厌氧搅拌有利于外源COD转化与储存，为好氧段同步硝化反硝化提供内碳源。 

表1